DE2309315C2 - Device for separating gas mixtures by permeation - Google Patents
Device for separating gas mixtures by permeationInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen aus zwei oder mehr gasförmigen Komponenten durch Permeation an Membranen mit einer Kammer, welche zwd Arten von Membranen, die fürdieGemischkomponeniten unterschiedliche Permeabilitäten besitzen und einein Einlaß zur Einspeisung des Gemisches aufweist, und mit zwei jeweils mit einer Ableitung versehenen Sammdkammern für die abgetrennten Gasanteile.The invention relates to a device for separating gas mixtures from two or more gaseous Components by permeation on membranes with a chamber, which two types of membranes that different permeabilities for the mixed components and one having an inlet for feeding the mixture, and two each with a discharge provided collecting chambers for the separated gas components.
Aus der die Gattung bestimmenden US-PS 29 81 680 ist eine Vorrichtung zum Trennen von aus zwei oder mehr gasförmigen Komponenten gebildeten Gasgemischen durch Permeation bekannt. Sie besteht aus einer Kammer, die durch zwei Membranen mit für die Gemischkomponenten unterschiedlichen Permeabilitäten in eine Speisezone, in die das zu trennende Gasgemisch über Pumpen gefördert wird, und zwei Nebenzonen geteilt wird, in denen sich die durch die Membrane durchgelassenen unterschiedlichen Gasteile ansammeln und von Vakuumpumpen abgesaugt werden. Desweiteren ist es aus dieser US-PS 29 81 680 bekannt, den Nebenzonen jeweils eine weitere Permeationskammer nachzuordnen und die von Pumpen aus einer Nebenzone abgesaugten Gasanteile diesen zuzuführen und durch deren Membranen mit ebenfalls unterschiedlicher Durchlässigkeit nachmals !aufzutrennen. Hat ein Gasanteil hierbei nur gleichartige Membranen durchdrungen, so wird er an den Ausgang geleitet; haben ihn dagegen ungleiche Membranen durchgelassen, so wird er wieder in die erste, vorgeordnrhj Kammer eingespeist. Als nachteilig hat sich hierbei gezeigt, daß die Kammern jeweils nun Membranfläehon aufzunehmen vermögen.From the determining the genus US-PS 29 81 680 is a device for separating from two or gas mixtures formed by more gaseous components are known by permeation. It consists of one Chamber formed by two membranes with different permeabilities for the mixture components divided into a feed zone, into which the gas mixture to be separated is pumped, and two secondary zones in which the different gas parts that have passed through the membrane collect and be sucked off by vacuum pumps. Furthermore, it is known from this US-PS 29 81 680, the sub-zones A further permeation chamber and the pumps from a secondary zone to supply sucked gas components to these and through their membranes with likewise different To separate the permeability afterwards. Has a gas component in this case only membranes of the same type penetrated, so it is led to the exit; have him against it If uneven membranes are allowed to pass through, it is fed back into the first, pre-ordinated chamber. as It has been shown to be disadvantageous that the chambers are now able to accommodate membrane areas.
die der Fläche ihrer Flanken entsprechen, so daß leistungsfähige Aniagen auch unvorteilhaft große Kammern erfordern. Desweiteren hat sich als unvorteilhaft herausgestellt, daß innerhalb der Kammer Komponenten jeweils relativ große Wegstrecken bis zur zugeordneten Membran zurückzulegen haben, so daß die gewünschte Trennen auch hierdurch verzögert and beeinträchtigt wird. Durch die Hintereinanderschaltung von zwei Permeationsstufcn läßt sich zwar die Trennungwhich correspond to the area of their flanks, so that powerful systems also have disadvantageously large chambers require. Furthermore, it has been found to be disadvantageous that components within the chamber each have to cover relatively large distances to the associated membrane, so that the desired Separation is also delayed and impaired as a result. By connecting the The separation can be admittedly two permeation stages
ίο eines Gasgemisches in seine unterschiedlichen Komponenten verbessern, ohne daß sich jedoch mit wenigen Stufen die gewünschte Reinheit erreichen läßt, da unterschiedliche Membranen passierte Gasanieile stets wieoer in die erste Permeationsstufe rückgeführt werden.ίο a gas mixture in its different components improve without, however, the desired purity can be achieved with a few steps, since different Gas components passed through membranes are always returned to the first permeation stage.
is Durch die US-PS 32 74 750 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der die Kammer durch ein einziges Membransystem in einen Hauptabschnitt und mehrere, im Ausführungsbeispiel sieben, nebeneinandcrliegende Unterabschnitte aufgeteilt ist Auch hier wird das zu trennende Gasgemisch durch eine Pumpe in die Speisezone gefördert, und jeder Unterabschnitt ist an eine Vakuumpumpe angeschlossen, die den von der jeweiligen Membrane durchgelassenen Gasanteil aus diesem Unterabschnitt abzieht Der Auslaß jeder Vakuumpumpe steht wiederum mit der Speisezone in Verbindung, und zwar an einer Stelle, die in Einströmrichtung des Gasgemisches um die Breite eines Unterabschnittes vor demjenigen Unterabschnitt liegt, aus welchem der Gasanteil mittels der Vakuumpumpe abgezogen ist Als nachteilig ist hierbei zu sehen, daß eine derartige Vorrichtung einen beträchtlichen Anlagenaufwand erfordert, weil die Kammer mit einer großen Anzahl von Unterabschnitten zu versehen ist und jeder dieser Unterabschnitte die Zuordnung einer gesonderten Vakuumpumpe erforderlich macht. Der oft gewünschte, den erforderlichen Aufwand senkende kompakte Aufbau läßt sich auch hier nicht erzielen, da Membranen jeweils nur entlang einer der Seitenflächen vjr Speisezone vorgesehen sind und damit die benötigte Membranfläche die Abmessungen der Vorrichtung zwingend bestimmt Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, eine Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen nach der bezeichneten Gattung zu schaffen, die sich bei kompaktem, gedrängten und damit kostengünstigen Aufbau sowohl durch hohe Durchsatzleistungen als auch weitgehende Reinheit der aufgetrennten Komponenten auszeichnet. is by the US-PS 32 74 750 a device is known, in which the chamber is divided into a main section and several, im Embodiment seven, adjacent Subsections is divided Here too, the gas mixture to be separated is fed into the feed zone by a pump and each sub-section is connected to a vacuum pump that corresponds to that of the respective Membrane removes the gas fraction allowed to pass through this subsection. The outlet of each vacuum pump is in turn connected to the feed zone, namely at a point in the inflow direction of the Gas mixture by the width of a subsection in front of that subsection from which the gas fraction is withdrawn by means of the vacuum pump. A disadvantage here is that such a device requires a considerable investment, because the chamber with a large number of Subsections is to be provided and each of these subsections the assignment of a separate vacuum pump makes necessary. The often desired compact structure that reduces the effort required cannot be achieved here either, since membranes are only provided along one of the side surfaces of the feed zone are and thus the required membrane area necessarily determines the dimensions of the device The invention is therefore based on the object of providing a device for separating gas mixtures according to the to create designated genus, which is both compact, compact and thus inexpensive construction characterized by high throughput rates and extensive purity of the separated components.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen. Die rohrartige Ausbildung
der Membranen erlaubt die Unterbringung relativ großer Membranflächen auch in gedrängten Räumen,
und für die Ausbeute der erzielten Gaskomponenten sowie deren Reinheit macht sich vorteilhaft bemerkbar,
daß das der Speisezone zugeführte Gasgemisch nur recht geringe Wegstrecken zurückzulegen hat. um sowohl
Membranen der ersten als auch der zweiten Permeabilität zu erreichen. Diese geringen Wegstrecken
sichern, daß die relativ großen Gesamtflächen der Membranen auch voll und schnell zur Wirkung gebracht
werden und damit eine kompakte Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen mit hoher Durchsatzleistung
in Verbindung mit einer weitgehenden Ausscheidung der Gaskomponenten erreicht wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.This problem is solved by the measures characterized in claim 1. The tubular construction of the membranes allows relatively large membrane surfaces to be accommodated even in crowded spaces, and for the yield of the gas components obtained and their purity it is advantageous that the gas mixture fed to the feed zone only has to cover very short distances. to achieve both first and second permeability membranes. These short distances ensure that the relatively large total areas of the membranes are also fully and quickly brought into effect and thus a compact device for separating gas mixtures with a high throughput in conjunction with extensive separation of the gas components is achieved.
Advantageous further developments of the invention are characterized in the subclaims.
Im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispiclen erläutert. Es zeigt hierbeiIn detail, the features of the invention are based on the following description of exemplary embodiments explained. It shows here
F i g. 1 geschnitten eine Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen, undF i g. 1 cut a device for separating gas mixtures, and
Fi g. 2 vergrößert ein als Membrane genutztes Rohr der F ig. 1.Fi g. 2 enlarges a pipe used as a membrane in FIG. 1.
Bei der Vorrichtung 50 zum Trennen von Gasgemischen nach Fig. 1 ist ein Hohizy linder 51 einseitig durch eine Platte 52 verschlossen und mit einem Flansch 54 auf eine Basis 53 gesetzt, die über einen Rohransatz 55 mit einem Flansch 56 verbunden ist, der durch eine aufgesetzte Deckplatte 57 abgeschlossen ist Die Deckplatte 57 wird von einer Haube 59 übergriffen, deren Flansch 60 mit dem Flansch 56 verschraubt ist Wie die F i g. 1 zeigt, sind im Falle der Schraubverbindungen jeweils Weichdichtungen eingelegtIn the device 50 for separating gas mixtures according to FIG. 1, a Hohizy linder 51 is through on one side a plate 52 closed and set with a flange 54 on a base 53, which has a pipe socket 55 with a flange 56 is connected by an attached Cover plate 57 is completed The cover plate 57 is overlapped by a hood 59, the flange of which 60 is screwed to the flange 56 As FIG. 1 shows are in the case of screw connections, respectively Soft seals inserted
Der gezeigte Aufbau bildet zwei Sammelkammern 58 und 6t für Gaskomponenten, deren eine zwischen der Basis 53 und der Deckplatte 57 und deren andere zwischen der Deckplatte 57 und dem Boden der Haube 59 gebildet wird.The structure shown forms two collecting chambers 58 and 6t for gas components, one of which is between the Base 53 and the cover plate 57 and the other between the cover plate 57 and the bottom of the hood 59 is formed.
In den Hohlzylinder 51 greift ein Rohrabschnitt 63 ein, dessen eines Ende mit der Basis 53 verschweißt ist, während auf das andere eine perforierte Stützpfatte 64 geschraubt ist Mittels einer den Hohlzylinder 51 durchgreifenden Zuleitung 62 wird dem vom Rohrabschnitt 63 umschlossenen Raum über einen Durchlaß 65 das zu trennende Gasgemisch zugeführtA pipe section 63 engages in the hollow cylinder 51 one end of which is welded to the base 53 while the other has a perforated support plate 64 is screwed by means of a feed line 62 extending through the hollow cylinder 51 is the from the pipe section 63 enclosed space is supplied to the gas mixture to be separated via a passage 65
In der Stützplatte 64, der Basis 53 und der Deckplatte 57 sind aufeinander ausgerichtete Bohrungen 66,67 und 68 vorgesehen. Als Membranen werden aus entsprechend permeablen Werkstoff gebildete Rohre 69 bzw. 70 benutzt, die, wie im vergrößerten unterbrochenen Querschnitt der Fig.2 gezeigt, am freien Ende, beispielsweise durch Schweißen, geschlossen sind. Das geschlossene Ende der Rohre 69 und 70 wird jeweils in den Bohrungen 66 der Stützplatte 64 gehalten, während die gegenüberliegenden, offenen Enden der Rohre 69 in die Bohrungen 67 der Basis 53 eingreifen und die freien offenen Enden der Rohre 70 solche Bohrungen 67 durchgreifen und in Bohrungen 68 der Deckplatte eingreifen und durch diese abgestützt sind. Diese Membranen 69 bzw. 70 weisen beispielsweise einen Durchmesser von 1 mm bei einer Wandstärke von 0,25 mm auf und bestehen aus einem Werkstoff, der entsprechend der durchzulassenden Gaskomponenii des zu trennenden Gasgemisches gewählt ist. Damit aber können die jeweiligen Gaskomponenten die Wandungen der als Membranen ausgebildeten Rohre 69 bzw. 70 durchdringen und durch den Innenreim der Rohre in die Sammelkammer 58 bzw. 61 geleitet werden. Zweckmäßig ist jedes der Rohre 69 und 70 öurch einen in F i g. 2 aufgezeigten Kern 71 verstärkt, der aus Glas, Steinwolle, Kupfer, Nickel. Titan. Aluminium und Legierungen davon oder anderen geeigneten Werkstoffen, bestehen kann, wie beispielsweise Hanf, Baumwolle, Seide, Wolle, Kunstharzfäden oder keramisches Material. Wesentlich ist, daß dieser Kern den Durchtritt der aufgenommenen Gaskomponente in axialer Richtung des Rohres 69 bzw. 70 zuläßt. Der Kern 71 kann daher aus Fasern oder Körnchen der genannten Werkstoffe bestehen.In the support plate 64, the base 53 and the cover plate 57 are aligned bores 66,67 and 68 provided. Tubes 69 or tubes made of appropriately permeable material are used as membranes. 70 used, which, as shown in the enlarged interrupted cross section of Figure 2, at the free end, for example by welding, are closed. The closed ends of tubes 69 and 70 are each inserted into the Bores 66 of the support plate 64 held while the opposite, open ends of the tubes 69 in the Bores 67 of the base 53 engage and the free open ends of the tubes 70 such bores 67 reach through and engage in bores 68 of the cover plate and are supported by them. These membranes 69 and 70, for example, have a diameter of 1 mm with a wall thickness of 0.25 mm and consist of a material that corresponds to the gas component to be separated from the Gas mixture is selected. But so that the respective gas components can the walls of the as Diaphragm formed tubes 69 and 70 penetrate and through the interior of the tubes into the plenum chamber 58 or 61 are directed. Each of the tubes 69 and 70 is expediently connected to one in FIG. 2 shown Reinforced core 71, made of glass, rock wool, copper, nickel. Titanium. Aluminum and its alloys or other suitable materials, such as hemp, cotton, silk, wool, Synthetic resin threads or ceramic material. It is essential that this core allows the absorbed to pass through Gas component in the axial direction of the pipe 69 and 70 respectively. The core 71 can therefore be made of fibers or Granules of the materials mentioned exist.
Wird davon ausgegangen, daß das zu trennende Gasgemisch als gasförmige Komponente Xenon und Argon enthält, so können die als kürzere Rohre 69 ausgebildeten Membranen auy Silikongummi bestehen, das leicht von Xenon durchdringbar ist. Argon jedoch nicht durchläßt. Die als längere Rohre 70 ausgebildeten Membranen können aus Celluloseacetat bestehen, welches von Argon leicht durchdringbar ist, jedoch nicht von Xenon. Dabei können die )jf. Membranen darstellenden Röhrchen aus einem Celluloseacetat hergestellt sein, das ohne oder auch nach einer Wärmebehandlung bei 800C gefriergetrocknet wird, während das Silikongummi aus Dimethyl-Siloxan und Zusatzstoffen erstellbarIf it is assumed that the gas mixture to be separated contains xenon and argon as gaseous components, then the membranes formed as shorter tubes 69 can consist of silicone rubber which can easily be penetrated by xenon. However, argon does not let through. The membranes designed as longer tubes 70 can consist of cellulose acetate, which argon can easily penetrate, but not xenon. The ) jf. Tubes representing membranes can be made from a cellulose acetate, which is freeze-dried without or after a heat treatment at 80 ° C., while the silicone rubber can be produced from dimethyl-siloxane and additives
Wird nun das Gasgemisch in die innerhalb des Rohrabschnittes 63 gebildete Kammer 14 über die Zuleitung 62 geführt, so vermag das Argon die Wandungen der Rohre 70 zu durchdringen und wird im Inneren derIf the gas mixture is now fed into the chamber 14 formed within the pipe section 63 via the supply line 62 out, the argon is able to penetrate the walls of the tubes 70 and is inside the
ίο Rohre 70 über deren Kern hinweg in die Sammelkammer 61 geführt, während Xenon die Wandungen der Rohre 70 nicht zu passieren vermag. Andererseits durchdringt das Xenon die Wandungen der Rohre 69 und wird in deren Innerem in die Sammelkammer 78 geleitet Gas, welches weder die Wandungen der Rohre 69 noch die der Rohre 70 durchdringen konnte, sammelt sich in einem weiteren Raum 74 zwischen der Stützplatte 64 und der Platte 52 und kann über eine Rohrleitung 75 zum Sammelbehälter für das Gav^Jimisch rückgeführt werden. Um den Gasdruck zu erfassrn, ist mit der Platte 52 ein Rohr 76 verbunden, das zu einem nicht dargestellten Manometer führt.ίο tubes 70 over their core into the collecting chamber 61 out, while xenon is not able to pass through the walls of the tubes 70. on the other hand the xenon penetrates the walls of the tubes 69 and is inside the tubes into the collecting chamber 78 passed gas which could neither penetrate the walls of the tubes 69 nor those of the tubes 70, collects is in a further space 74 between the support plate 64 and the plate 52 and can be via a pipeline 75 returned to the collecting container for the Gav ^ Jimisch will. In order to detect the gas pressure, a tube 76 is connected to the plate 52 which is not connected to a shown manometer leads.
Bei der Vorrichtung nach F i g. 1 und 2 ergibt sich durch die Ausführung der Membranen als Rohre 69 und 70 eine große Permeationsoberfläche pro Volumeneinheit der Kammer 14, so daß bei vorgegebenem Druck auch ein ungewöhnlich starker Durchsatz erreicht wird, zumal die jeweiligen Wege bis zu den Roiiren 69 bzw. 70 infolge der dichten Packung vorteilhaft kurz sind. DieIn the device according to FIG. 1 and 2 results from the execution of the membranes as tubes 69 and 70 a large permeation surface per unit volume of the chamber 14, so that at a given pressure an unusually high throughput is also achieved, especially since the respective routes to Roiiren 69 and 70 are advantageously short due to the close packing. the
Ji engen Rohre erweisen sich als mechanisch stabil und werden zusätzlich durch Kerne 71 gegen ungewollten Verschluß gesichert Die voneinander getrennten Gaskomponenten lassen sich problemlos den Ableitungen 72 und 73 entnehmen. Als vorteilhaft macht sich weiterhin bemerkbar, daß die beiden Komponenten beim gleichen Trennvorgang separat die Wandungen der Rohre 69 bzw. 70 durchdringen, so daß die Zusammensetzung des Gasgemisches innerhalb der Kammer 14 während des Trennvorganges sich nicht wesentlich ändertJi narrow pipes prove to be mechanically stable and are additionally secured against unintentional closure by cores 71. The gas components which are separated from one another can be taken from leads 72 and 73 without any problems. As beneficial continues to make itself It is noticeable that the two components separate the walls of the pipes during the same separation process 69 and 70 penetrate, so that the composition of the gas mixture within the chamber 14 during the separation process does not change significantly
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